中子衍射

中子與其他微觀粒子一樣，具有波粒二象性。 ^[1] 

當中子波以掠射角

射向晶面，在相鄰兩晶面上反射的中子波，程差為

與X射線一樣，當

等於中子波長的整數倍時，這兩支反射波相干而加強，由許多層的相干作用，出現明顯的衍射峯。中子衍射的布喇格公式為

式中

——晶面間距；

——掠射角；

——散射中子波長；

——衍射級次。 ^[1] 

在反射中子束中，對應

，成為一級衍射，其他成為次級衍射。通常一級衍射最強，強度隨

的增加，迅速下降。在實際應用中，只有前面很少幾級起作用。

對於非極化中子束，它在磁性晶體上的散射，中子衍射峯的強度是核衍射強度和磁衍射強度之和。

對於極化中子束，必須考慮到核散射振幅和磁散射振幅之間的相干現象，使衍射峯強度帶來加強或減弱的效果。 ^[1] 

中子衍射和X射線衍射十分相似，其不同之處在於：

1、X射線是與電子相互作用，因而它在原子上的散射強度與原子序數成正比，而中子是與原子核相互作用，它在不同原子核上的散射強度不是隨值單調變化的函數，這樣，中子就特別適合於確定點陣中輕元素的位置(X射線靈敏度不足)和值鄰近元素的位置（X 射線不易分辨）；

2、對同一元素，中子能區別不同的同位素，這使得中子衍射在某些方面，特別在利用氫-氘的差別來標記、研究有機分子方面有其特殊的優越性；

3、中子具有磁矩，能與原子磁矩相互作用而產生中子特有的磁衍射，通過磁衍射的分析可以定出磁性材料點陣中磁性原子的磁矩大小和取向，因而中子衍射是研究磁結構的極為重要的手段；

4、一般説來中子比X 射線具有高得多的穿透性，因而也更適用於需用厚容器的高低温、高壓等條件下的結構研究。中子衍射的主要缺點是需要特殊的強中子源，並且由於源強不足而常需較大的樣品和較長的數據收集時間。

5、在實驗技術上與傳統方法稍有差別的還有利用不同波長的中子具有不同速度(能量)這一原理建立的飛行時間衍射法，主要用在加速器等強脈衝中子源上。 ^[2] 

中子衍射主要應用於：

1、晶體單色器

從反應堆引出的熱中子是連續譜。如果再引出孔道外面安置一單晶片，中子束以掠射角

射向單晶片。根據布喇格條件

在與入射方向成

角的方向上可接受到波長為

的單能中子，

是反射晶面的間距。改變不同的

，就可以得到不同波長

的單能中子。

2、極化中子中子束

選取適當的鐵磁晶體，通過相干衍射可以有效地得到極化中子束。下面説明其原理。

對於任一非極化中子束，我們都可以看成兩個相反方向極化中子束之和。將中子束射到鐵磁晶體表面，在某一晶面上發生布喇格反射。由於磁散射振幅的大小與反射面和掠射角有關，因此對於某種晶體，反射束中只有自旋朝上的中子存在，才能達到產生極化中子束的目的。 ^[2] 

3、晶體空間結構測定

根據布喇格衍射公式，要測定晶面間距

和其它有關參量，要求中子波長

和

同數量級。一般晶體晶面間距在（0.1~1）nm之間，從反應堆出來的熱中子能量在（0.1~0.0001）eV之間，相應的波長為（0.03~3）nm，正好滿足要求。

首先是輕元素的定位工作。例如各種無機碳氫、氧化物、NaH、TiHZrHHfHPdHWCMoCThC、UC、PbO、BaSO、SnO等結構中輕元素的位置，主要都是靠中子衍射定出的，近期以來已經擴展到有機分子方面如氨基酸維生素B，以至肌紅蛋白等較複雜大分子的結構研究；對近鄰元素研究方面，可以舉出對3d過渡族合金Fe-CoFe-Co-VFe-Cr、Ni-Mn、Ni-Cr等樣品有序度的研究，這也是用X 射線很難作的；

4、磁結構方面的應用

用中子衍射研究磁結構最早的工作是液氮温度下MnO的反鐵磁結構探討，確定了Mn原子在(111)面內近鄰的磁矩方向相反20世紀50年代曾對許多反鐵磁體如FeONiOCoO[kg1]-FeO等進行了中子衍射研究，對尖晶石型鐵氧體如FeOMnFeO及石榴石型鐵氧體如YFeO[kg2]等也作了測量，證明了L.-E.F.奈耳提出的磁結構模型是正確的。

利用中子在磁性物質上的磁散射，還可以確定物質中原子磁距的大小、取向和分佈。螺旋磁結構的發現就是中子衍射測量的結果。50年代末首先在MnO中發現螺旋磁結構，繼後在稀土及其合金中發現了各種各樣螺旋磁結構，近年來還在一些反鐵磁體中發現非共線反鐵磁結構，此外還用中子衍射方法研究了晶胞中各晶位的磁矩大小磁電子密度分佈磁 ^[2]